Bislang sorgten vor allem Kohle- und Atomkraftwerke für einen stabilen Wechselstromtakt im europäischen Stromnetz. Forscher der ETH Zürich haben nun eine Lösung gefunden, um die Stromnetze ohne Großkraftwerke zu stabilisieren, damit Wind- und Solarkraftwerke übernehmen können.
In Folge der Energiewende ersetzen Windkraft- und Solaranlagen immer mehr klassische Kraftwerke. Mit Blick auf den Klimawandel ist das zwar positiv, allerdings geht mit der Schließung von Kraftwerken auch ein stabiler Taktgeber verloren. Denn bisher haben vor allem Kohle- und Atomkraftwerke für einen stabilen Wechselstromtakt im europäischen Stromnetz gesorgt.
Forscher der ETH Zürich haben jedoch eine Lösung für dieses Problem gefunden. Sie haben eine Steuerung für Wechselrichter entwickelt, die das Stromnetz schützen und bei Netzfehlern stabil bleiben sollen. Basis dafür ist ein spezieller Algorithmus, der Frequenzen bei Fehlern stabilisieren und den Stromfluss bei Bedarf beschränken kann.
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Bislang haben Wasser-, Kohle- und Atomkraftwerke die Stromnetze in Europa stabil gehalten. Um sie als Taktgeber zu ersetzen, braucht es elektronisch gesteuerte Wechselrichter. Das Problem: Es ist nicht einfach, diese vor Netzfehlern wie Kurzschlüssen und Spannungseinbrüchen zu schützen.
Energiewende: Forscher finden Lösung, um Stromnetze zu stabilisieren
Der Hinterrund: Durch das europäische Stromnetz fließt Wechselstrom. Das heißt, dass Strom in wechselnden Abständen in beide Richtungen fließt – binnen Hundertstelsekunden. Bisher gaben die Generatoren der Großkraftwerke diesen Takt vor, da sie über das Netz miteinander synchronisiert sind.
Solaranlagen und Windräder erzeugen wiederum Gleichstrom. Dieser muss zunächst über Wechselrichter umgewandelt werden. Die Einspeisung erfolgt synchron, indem sich die Wechselrichter am Takt des Stromnetzes orientieren. Das funktioniert aber nur, solange genügend Großkraftwerke am Netz sind.
Um die Stromnetze im Rahmen der Energiewende zu stabilisieren, braucht es sogenannte netzbildende Wechselrichter. Heiß konkret: Wechselrichter, die nicht nur einem Takt folgen, sondern dabei helfen ihn stabil zu halten. Um netzbildende Wechselrichter zu schützen, damit sie auch bei Kurzschlüssen oder einem Spannungseinbruch funktionieren, gab es bisher aber keine Lösung.
Ein Schutzmechanismus sorgt aktuell dafür, dass sich Wechselrichter bei Netzfehlern vom Netz trennen. Das ist insofern notwendig, da sie bei einem Spannungseinbruch andernfalls versuchen würden die fehlende Spannung durch eine hohe Stromabgabe auszugleichen. Das würde die Wechselrichter jedoch überlasten und irreparabel beschädigen.
Algorithmen betreiben Wechselrichter bei Netzfehlern weiter
Die Zürcher Forscher haben deshalb einen Algorithmus entwickelt, der netzbildende Wechselrichter auch bei Fehlern weiter betreibt. Heißt konkret: Auch Solaranlagen und Windräder könnten bei Kurzschlüssen oder Spannungseinbrüchen am Netz bleiben, ohne dass dieses zusammenbricht.
Mithilfe der Algorithmen sollen die Wechselrichter wiederum die Rolle von Großkraftwerken als Taktgeber übernehmen können. Die Steuerung soll dazu kontinuierlich Netzparameter messen, um die Wechselrichter über eine Rückkoppelungsschleife in Echtzeit anpassen zu können. Ihre Algorithmen hat die ETH Zürich zum Patent angemeldet.
Die zündende Idee für die Lösung der Forscher hatte ein Student. Doktorat Maitraya Desai soll erkannt haben, dass es am besten sei, Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms bei Netzfehlern unabhängig voneinander zu behandeln. Denn bei Fehlern ist es nur schwer möglich, die Netzspannung zu halten. Die Algorithmen der Forscher fokussieren deshalb die Taktfrequenz, um sie stabil zu halten.
Der Strom wird dabei begrenzt, um eine Überlastung zu vermeiden. Die Spannung kann hingegen frei schwanken. Dass ihre Lösung funktioniert, konnten die Wissenschaftler bereits in einer Testanlage im Labor bestätigen. Da es sich um eine Softwarelösung handelt, könne die Industrie die Algorithmen direkt in ihre Steuerungsanlagen implementieren, ohne neue Anlagen bauen zu müssen.
Die neuen Algorithmen die europäischen Stromnetze stabilisieren, das Risiko von Blackouts verringern und Großkraftwerke als Taktgeber ersetzen, um die Energiewende über Solaranlagen und Windräder zu garantieren.
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